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2013 年度 実績報告書

レーザー超音波による高速回転体の温度プロファイリングとその材料加工への応用

研究課題

研究課題/領域番号 25289238
研究種目

基盤研究(B)

研究機関長岡技術科学大学

研究代表者

井原 郁夫  長岡技術科学大学, 工学部, 教授 (80203280)

研究分担者 松谷 巌  長岡技術科学大学, 工学部, 助教 (00514465)
研究期間 (年度) 2013-04-01 – 2016-03-31
キーワード温度プロファイリング / 回転体 / 非接触計測 / レーザ超音波 / 温度同定 / 加工プロセスモニタリング / 超音波パルスエコー
研究概要

本研究は、加熱状態にある高速回転体(例えば回転工具)の表面および内部の温度プロファイルをリアルタイムかつ定量的に計測・モニタリングするための新しい超音波手法(超音波サーモメトリ)を創成するとともに、この手法を高温場の材料加工プロセスに適用し、その有効性を実証することを目的とする。このような革新的計測手法を開発することで、従来技術では成し得なかった回転工具(摩擦撹拌接合(FSW)ツール、ドリル等)や被加工材の3次元温度分布の定量的オンプロセスモニタリングを実現することを目指す。今年度は、レーザー超音波法を用いた高速回転体の非接触温度プロファイル手法の開発を行った。主な結果は次のとおりである:
(i)回転体の温度分布同定のため逆問題解析モデルの構築とその妥当性の検証
回転する円柱内の超音波速度を指標とした表面および内部の温度プロファイル同定の逆問題モデルを構築し、その解の一意性および安定性を調べ、解析モデルと手法の妥当性を確認するとともに最適化手法を開発した。
(ii)超音波パルスエコーを用いた回転体内部の温度プロファイルの同定の実証実験
まず、実用化を前提としたその測定条件と解析条件を明確にした。その結果を踏まえて、鋼製円柱(直径10~100mm)を用いた加熱実験を行い、超音波パルスエコー法による音速測定に基づいて温度プロファイルを同定した。この実験においてはバルク波(縦波、横波)および表面波の非接触計測が不可欠であるため、パルスレーザとレーザー干渉計による計測システムを構築した。次いで、同定結果の妥当性を検証するために、加熱材中に設置した複数個の熱電対(ただし、回転時ではなく静止状態でのみ使用)や赤外線法による実測値(回転中)、および数値解析による推定値を参照値とし、超音波法による同定結果と比較した。このようなクロスチェックにより解析手法および測定手法の有効性を確認した。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

今年度の所期の目標は、高速回転体の表面および内部の温度プロファイルをリアルタイムかつ定量的にモニタリングするための超音波手法(超音波サーモメトリ)を構築するとともに、この手法の有効性を実証することであった。これに対して、今年度は、回転体の温度分布同定のため逆問題解析モデルの構築とその妥当性の検証を行うとともに、レーザー超音波法を用いた回転体内部の温度プロファイル同定の実証実験を行い、良好な結果を得た。このように所期の目標は概ね達成できたと考える。

今後の研究の推進方策

25年度の結果に基づいて、回転体の3次元温度分布モニタリングについて検討する。基本的には、レーザー超音波計測を用いた非接触計測とその2次元スキャニングを駆使することで3次元温度分布同定手法を試みる。材料表面へのパルスレーザ照射により材料中への縦波、横波ならびに材料表面上の表面波を励起することができるため、これらを活用した材料内部の3次元温度モニタリング手法を構築する予定である。さらに、高速回転体と静止材料との摺動界面(摩擦界面)の温度モニタリングについて検討し、超音波サーモメトリの高度化を具体的に進めていく。

次年度の研究費の使用計画

当初はレーザー干渉計を購入予定であったが、回転体の非接触計測には必ずしもレーザー干渉計の使用は適切ではないことが明らかとなったため、それに変わる機器(既設のドップラー変位計)の使用を検討することとした。さらに、本研究の遂行にはパルスレーザの見直しが必要とされることも明らかとなった。これらの状況から、助成金については当該年度には使用せず、次年度の研究進行状況を踏まえて、材料表面および内部の効果的な弾性波の励起が可能な物品(パルスレーザ発生器)の購入に充てることが効果的であると判断した。
研究遂行上不可欠となる非接触超音波計測に関わる機器(パルスレーザ発生器、または振動に強い非接触変位計、またはレーザスキャニング装置)を購入する予定である。なお、当初26年度に予定していた経費は消耗品や旅費等に充てることとする。

  • 研究成果

    (28件)

すべて 2014 2013

すべて 雑誌論文 (10件) (うち査読あり 7件) 学会発表 (17件) (うち招待講演 1件) 産業財産権 (1件)

  • [雑誌論文] Feasibility Study on Ultrasonic Lateral Displacement Measurement for Structural Health Monitoring2014

    • 著者名/発表者名
      Iwao Matsuya, Fumiya Matsumoto, and Ikuo Ihara
    • 雑誌名

      40th Annual Review of Progress in Quantitative Nondestructive Evaluation

      巻: 40 ページ: 464-470

    • DOI

      doi: 10.1063/1.4864856

  • [雑誌論文] Development of Polygonal Buffer Rods for Ultrasonic Pulse-Echo Measurements2014

    • 著者名/発表者名
      Farhana Mohd Foudzi and Ikuo Ihara
    • 雑誌名

      Journal of Physics: IOP Conference Series

      巻: - ページ: -

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Application of Air-Coupled Ultrasound to Noncontact Evaluation of Paper Surface Roughness2014

    • 著者名/発表者名
      Muhammad Nur Farhan, and Ikuo Ihara
    • 雑誌名

      Journal of Physics: IOP Conference Series

      巻: - ページ: -

    • 査読あり
  • [雑誌論文] A Feasibility Study on Generation of Acoustic Waves Utilizing Near-Field Optics2014

    • 著者名/発表者名
      Iwao Matsuya, Kento Matozaki, Akira Kosugi, and Ikuo Ihara
    • 雑誌名

      Journal of Physics: IOP Conference Series

      巻: - ページ: -

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Application of Laser Ultrasound to Noncontact Temperature Profiling of a Heated Hollow Cylinder2014

    • 著者名/発表者名
      Akira Kosugi, Yasuhiro Ono, Iwao Matsuya, and Ikuo Ihara
    • 雑誌名

      Journal of Physics: IOP Conference Series

      巻: - ページ: -

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Feasibility Study on Noncontact Monitoring of Temperature Distribution of Rotating Tool2013

    • 著者名/発表者名
      Akira Kosugi, Iwao Matsuya, and Ikuo Ihara
    • 雑誌名

      Applied Mechanics and Materials

      巻: 372 ページ: 336-339

    • DOI

      10.4028/www.scientific.net/AMM.372.336

    • 査読あり
  • [雑誌論文] 相対変位と局所傾斜角度の同時計測に関する実験的研究2013

    • 著者名/発表者名
      松谷 巌、片村立太、井原郁夫、谷井孝至、仁田佳宏、西谷 章
    • 雑誌名

      日本建築学会技術報告集

      巻: 19 ページ: 951-954

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Noncontact Temperature Profiling of Rotating Cylinder by Laser-Ultrasonic Sensing2013

    • 著者名/発表者名
      Ikuo Ihara, Akira Kosugi, Iwao Matsuya, and Yasuhiro Ono
    • 雑誌名

      Proc. 7th International Conference on Sensing Technology

      巻: 7 ページ: 238-241

    • 査読あり
  • [雑誌論文] レーザー超音波を用いた非接触サーモメトリの測定精度2013

    • 著者名/発表者名
      小杉祥、小野裕洋、井原郁夫、松谷巌
    • 雑誌名

      超音波TECHNO

      巻: 25 ページ: 31-35

  • [雑誌論文] 超音波による非破壊・非接触温度プロファイリング2013

    • 著者名/発表者名
      井原郁夫、高橋学、小杉祥、松谷巌、友松拓也
    • 雑誌名

      検査技術

      巻: 18 ページ: 5-11

  • [学会発表] 最近のレーザー超音波技術の進展と応用2014

    • 著者名/発表者名
      井原郁夫、小野裕洋、松谷巌、小杉祥
    • 学会等名
      第61回応用物理学会春季学術講演会
    • 発表場所
      東京
    • 年月日
      20140317-20140320
    • 招待講演
  • [学会発表] Noncontact Temperature Profiling of Rotating Cylinder by Laser-Ultrasonic Sensing2013

    • 著者名/発表者名
      Ikuo Ihara, Akira Kosugi, Iwao Matsuya, and Yasuhiro Ono
    • 学会等名
      The 7th International Conference on Sensing Technology
    • 発表場所
      Wellington, New Zealand
    • 年月日
      20131203-20131205
  • [学会発表] Directivity Patterns of Ultrasound Generated by Evanescent light at the Interface between Prism and Aluminum Surface2013

    • 著者名/発表者名
      Iwao Matsuya, Kento Matozaki, and Ikuo Ihara
    • 学会等名
      34th Symposium on Ultrasonic Electronics
    • 発表場所
      Kyoto
    • 年月日
      20131120-20131122
  • [学会発表] Simultaneous Ultrasonic Measurements of Temperature and Heat Flux in a Heated Medium2013

    • 著者名/発表者名
      Akira Kosugi, Shingo Isobe, Ikuo Ihara and Iwao Matsuya
    • 学会等名
      34th Symposium on Ultrasonic Electronics
    • 発表場所
      Kyoto
    • 年月日
      20131120-20131122
  • [学会発表] Characterization of Skewed Rough Surface by Air-coupled Ultrasound2013

    • 著者名/発表者名
      Muhammad Nur Farhan Saniman and Ikuo Ihara
    • 学会等名
      34th Symposium on Ultrasonic Electronics
    • 発表場所
      Kyoto
    • 年月日
      20131120-20131122
  • [学会発表] Improvement of SNR in Pulse-echo Measurements with Polygonal Buffer Rods2013

    • 著者名/発表者名
      M. F. Foudzi and I. Ihara
    • 学会等名
      34th Symposium on Ultrasonic Electronics
    • 発表場所
      Kyoto
    • 年月日
      20131120-20131122
  • [学会発表] Real-Time Nondestructive Monitoring of Temperature Profiles of Heated Materials by Ultrasound2013

    • 著者名/発表者名
      Ikuo Ihara, Yugo Ifuku, Iwao Matsuya and Akira Kosugi
    • 学会等名
      1st International Conference of the Science and Engineering of materials
    • 発表場所
      Kuala Lumpur, Malaysia
    • 年月日
      20131113-20131114
  • [学会発表] Application of High Frequency Air-Coupled Ultrasound to Evaluate Paper Surface Roughness2013

    • 著者名/発表者名
      Muhammad Nur Farhan Saniman and Ikuo Ihara
    • 学会等名
      the MJIIT-JUC Joint International Symposium 2013
    • 発表場所
      Hiratsuka
    • 年月日
      20131106-20131108
  • [学会発表] Generation of Acoustic Waves and Its Directivity Pattern Utilizing Evanescent Light2013

    • 著者名/発表者名
      Kento Matozaki, Iwao Matsuya, and Ikuo Ihara
    • 学会等名
      the MJIIT-JUC Joint International Symposium 2013
    • 発表場所
      Hiratsuka
    • 年月日
      20131106-20131108
  • [学会発表] Effect of annealing on mechanical properties of pentacene and tris (8-hydroxyquinoline) aluminum films2013

    • 著者名/発表者名
      Moriyasu Moriyasu, Makoto Kunimoto, Ikuo Ihara, and Takashi Wakamatsu
    • 学会等名
      KJF International Conference on Organic Materials for Electronics and Photonics 2013
    • 発表場所
      Busan, Korea
    • 年月日
      20130828-20130831
  • [学会発表] Feasibility Study on Ultrasonic Lateral Displacement Measurement for Structural Health Monitoring2013

    • 著者名/発表者名
      Iwao Matsuya, Fumiya Matsumoto, and Ikuo Ihara
    • 学会等名
      QNDE Conference
    • 発表場所
      Baltimore, Maryland, USA
    • 年月日
      20130721-20130731
  • [学会発表] Real-Time Ultrasonic Monitoring of Internal Temperature Profiles of Heated Materials2013

    • 著者名/発表者名
      Ikuo Ihara, Yugo Ifuku, Akira Kosugi, and Iwao Matsuya
    • 学会等名
      QNDE Conference
    • 発表場所
      Baltimore, Maryland, USA
    • 年月日
      20130721-20130726
  • [学会発表] Application of Laser Ultrasound to Noncontact Temperature Profiling of a Heated Hollow Cylinder2013

    • 著者名/発表者名
      Akira Kosugi, Yasuhiro Ono, Iwao Matsuya, and Ikuo Ihara
    • 学会等名
      3rd International Symposium on Laser Ultrasonics and Advanced Sensing
    • 発表場所
      Yokohama
    • 年月日
      20130625-20130628
  • [学会発表] A Feasibility Study on Generation of Acoustic Waves Utilizing Near-Field Optics2013

    • 著者名/発表者名
      Iwao Matsuya, Kento Matozaki, Akira Kosugi, and Ikuo Ihara
    • 学会等名
      3rd International Symposium on Laser Ultrasonics and Advanced Sensing
    • 発表場所
      Yokohama
    • 年月日
      20130625-20130628
  • [学会発表] Development of Polygonal Buffer Rods for Ultrasonic Pulse-Echo Measurements2013

    • 著者名/発表者名
      Farhana Mohd Foudzi and Ikuo Ihara
    • 学会等名
      3rd International Symposium on Laser Ultrasonics and Advanced Sensing
    • 発表場所
      Yokohama
    • 年月日
      20130625-20130628
  • [学会発表] Application of Air-Coupled Ultrasound to Noncontact Evaluation of Paper Surface Roughness2013

    • 著者名/発表者名
      Muhammad Nur Farhan, and Ikuo Ihara
    • 学会等名
      3rd International Symposium on Laser Ultrasonics and Advanced Sensing
    • 発表場所
      Yokohama
    • 年月日
      20130625-20130628
  • [学会発表] Feasibility Study on Noncontact Monitoring of Temperature Distribution of Rotating Tool2013

    • 著者名/発表者名
      Akira Kosugi, Iwao Matsuya, and Ikuo Ihara
    • 学会等名
      2nd International Conference on Advanced Materials Design and Mechanics
    • 発表場所
      Kuala Lumpur, Malaysia
    • 年月日
      20130517-20130518
  • [産業財産権] 液面位置検出装置及び液面位置検出方法2013

    • 発明者名
      井原郁夫、市村政稔、島崎義之
    • 権利者名
      井原郁夫、市村政稔、島崎義之
    • 産業財産権種類
      特許
    • 産業財産権番号
      2013-085096
    • 出願年月日
      2013-04-15

URL: 

公開日: 2015-05-28  

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